CC BY
32
УДК 533.666.2: 629.7
ПИ. ИВАНОВ1, Р.П. ИВАНОВ2, А.Ю. КУЯНОВ3, М.В. СИТАЙЛО3
'Херсонский национальный технический университет, 2Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ» Государственный Научно-Испытательный центр ВС Украины
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ ПАРАШЮТНЫХ СИСТЕМ В ШТАТНЫХ И УСКОРЕННЫХ (УЖЕСТОЧЕННЫХ) ИСПЫТАНИЯХ
В работе проведен теоретический анализ и рассматриваются способы реализации ужесточенных режимов и условий летных испытаний парашютных систем (ПС), а также форсированные режимы работы ПС. Рассматривается вопрос об оценке надежности ПС по результатам ужесточенных испытаний.
Ключевые слова: оценка надежности, ускоренные и ужесточенные испытания парашютных систем.
P.I. IVANOV1, R.P. IVANOV2, A.U. KUYANOV3, M.V. SITAILO3
'Kherson National Technical University, 2National Aerospace University named after N.E. Zhukovsky "HAI" 3State Research and Testing Center of Ukrainian Armed Forces
ASSESSMENT METHODS OF THE RELIABILITY OF PARACHUTE SYSTEMS IN REGULAR AND ACCELERATED (TOUGHER) TRIALS
Annotation
The questions connected with the acceleration of flight tests of parachute .systems (PS), in particular, by means of toughening of modes and conditions of their functioning are being discussed in the work.
The research of the assessment methods of the reliability ofparachute systems in regular and accelerated (tougher) flight trials has become the aim of this work for the purpose of the analysis of the possibility their further modernization that is connected with important practical task of periods' curtailment of rescue systems' trials of descenting vehicles on other planets, returning spacecrafts on the Earth as well as rescue systems that are divided by the stage launch vehicles.
Main concepts and definitions are formulated in the work, such as: personnel arrangements, accelerated trials, tougher trials, tougher modes of trials, tougher design ofparachute system, and test plan of PS according to the reliability of its functioning.
The task to estimate the reliability offunctioning of PS in regular mode is put according to realized tougher trials. It is necessary to pre-note that the assessment of the reliability of PS is made according to the following parameters: strength, functioning, fillability, buckling design (wing gliding PS).
Theoretical analysis has been realized and the ways of tougher tests' implementation and conditions of PS's flight trials are being examined in the work as well as accelerated operating modes of PS. The question about the assessment of the reliability of PS according to the results of tougher trials is being examined.
Mathematical model describing the way of the assessment of PS's reliability by means of dimensions' comparison of two random parameters X and Y that are submitted to normal partition law has been produced. Advantages and disadvantages of this method have been shown. The necessity of modernization and improvement of this method in perspective taking into account all specific peculiarities of the process of PS's functioning has been shown in the conclusion.
Key words: the assessment of the reliability, accelerated and tougher trials ofparachute systems.
Постановка проблемы. В аэрокосмической отрасли большое значение имеют сроки, то есть время, затрачиваемое на проведение летных испытаний образцов парашютной техники. Сокращение сроков (конечно, не в ущерб качеству результатов) может дать существенную экономию не только материальных и финансовых ресурсов, но позволяет также форсировать выполнение ряда важных государственных программ.
Опыт показывает, что в конечном итоге всякая экономия сводится к экономии времени и заставляет, в ряде случаев, концентрировать значительные усилия в этом направлении.
Анализ публикаций по теме исследования. Последние исследования и публикации, на которые опираются авторы данной статьи, представлены в работах [1-5].
Цель статьи. Цель настоящей работы - исследование методов оценки надежности парашютных систем (ПС) в штатных и ускоренных (ужесточенных) летных испытаниях с целью анализа возможности их дальнейшей модернизации, что связано с важной практической задачей сокращения сроков испытаний систем спасения спускаемых на другие планеты объектов, возвращаемых на Землю космических аппаратов, а также систем спасения разделяемых ступеней ракетоносителей.
Основная часть. Ускоренные испытания - это испытания, методы и условия проведения которых обеспечивают получение необходимой информации о характеристиках свойств объекта испытаний в более короткий срок, чем при нормальных испытаниях [4]. Сокращение сроков летных испытаний ПС может быть обеспечено как совершенствованием всей технологической цепочки подготовки и проведения испытаний, так и специальными приемами, сочетающими оригинальные
конструкторские и технические решения. Совершенствование технологической цепочки в основном заключается в упрощении (конечно, не в ущерб качеству результатов летного эксперимента) ряда технологических операций снаряжения и монтажа ПС.
Ускорение процесса испытаний возможно также через ужесточение режимов и условий испытаний. То есть, можно заставить ПС работать за границами области эксплуатации, заданными техническим заданием. В этом случае можно сократить сроки проведения испытаний, подтвердив надежность ПС меньшим числом экспериментов, чем это делается в штатных условиях испытаний.
В основу идеи ужесточения испытаний положен принцип, в соответствии с которым, если система выдержала режимы и условия более жесткие, чем штатные, то она тем более будет надежно функционировать в штатных условиях эксплуатации.
Под штатными испытаниями понимается совокупность всякого штатного режима испытаний, составляющие вектора которого находятся в пределах технического задания (ТЗ) на проектирование, и всякой штатной конструкции парашюта, составляющие вектора которой соответствуют чертежу [5].
Под ужесточенными испытаниями понимается такая совокупность режима испытаний и конструкции парашюта, когда одна либо обе вместе составляющие совокупности являются ужесточенными.
При этом под ужесточенным режимом испытаний понимается режим, у которого хотя бы одна из составляющих вектора отличается от штатного так, что это приводит к ужесточению условий функционирования парашюта. Примером испытаний на ужесточенном режиме может служить ужесточение по скоростному напору при испытаниях парашюта на прочность.
Под ужесточенной конструкцией парашюта понимается всякая конструкция, у которой хотя бы один конструктивный параметр отличается от соответствующего штатного так, что это приводит к ужесточению условий функционирования парашюта. Например, испытания парашюта с более легкими стропами меньшей прочности, ослабленным силовым каркасом, менее проницаемой тканью основы по сравнению с заложенной в конструкцию по чертежу и т. д.
Однако здесь нужно иметь в виду следующее. Не всегда, например, ослабленный (меньшей прочности) силовой каркас может приводить к снижению несущей способности парашюта. Здесь важное значение имеет фактор оптимального распределения нагрузки на купол и стропы в процессе его раскрытия. Если конструктору удалось удачно, оптимальным образом подобрать распределение менее прочного силового каркаса для данной конструкции, то несущая способность конструкции может даже возрасти и при менее прочном каркасе. Это связано с понятием равнопрочности конструкции, когда при менее прочных силовых элементах, но правильном, технически грамотном перераспределении нагрузки удается избежать наличия зон с большой концентрацией напряжений, обычно являющихся источниками начала процесса разрушения конструкции, а часть их нагрузки равномерно возьмут на себя другие, менее нагруженные элементы.
Этот важный фактор следует всегда принимать во внимание и предварительно, до летных испытаний, проводить математическое и физическое моделирование равнопрочности элементов конструкции, непосредственно перед окончательным выбором варианта ужесточения конструкции по прочности.
Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров. Надежность - основной показатель качества изделия [6-8]. Надежность, заложенную в конструкцию при проектировании ПС, необходимо экспериментально подтвердить. С этой целью разрабатывается план испытаний ПС.
Под планом испытаний ПС по оценке надежности ее функционирования понимаются условия, режимы, а также минимальное количество экспериментов, которое необходимо провести для подтверждения заданной надежности. Например, в штатных испытаниях с вероятностью р = 0,95
заданная надежность для доверительного интервала у = 0,5 будет подтверждена п§ = 14 безотказными экспериментами [5],[6]. Естественно, что уже даже при одном отказе, заданная надежность должна быть подтверждена значительно большим количеством экспериментов.
Сократить количество дорогостоящих летных экспериментов можно ужесточенными испытаниями. Отсюда ставится задача: по проведенным ужесточенным испытаниям оценить надежность функционирования ПС на штатном режиме.
Нужно предварительно отметить, что оценка надежности ПС производится по следующим параметрам: прочности, функционированию, наполняемости, потере устойчивости конструкции (крыла планирующей ПС).
При проектировании ПС в нее закладывается определенная надежность рз с уровнем односторонней доверительной вероятности (ОДВ) у\ (например: рз = 0,999 при у\ = 0,95). Эту надежность необходимо экспериментально подтвердить, т.е. необходимо показать, что оцененная по выборочным данным вероятность рп удовлетворяет условию Вер{ рп > рз } > у\. Экспериментальное
подтверждение или оценка надежности может быть выполнена как штатными, так и ускоренными (например, через ужесточение) испытаниями.
1. Способы реализации ужесточенных режимов и условий летных испытаний ПС.
Форсированные режимы работы ПС
Ужесточенные испытания - это экспериментальное подтверждение надежности процесса нормального функционирования ПС на режимах и при условиях, уменьшающих вероятность ее безотказной работы.
Как уже отмечалось выше, под ужесточенным режимом испытаний понимается режим, у которого хотя бы одна из составляющих отличается от штатного режима так, что это приводит к ужесточению условий функционирования парашюта. Например, испытания на повышенных скоростных напорах по сравнению со штатными и др. В США, например, используют метод ужесточенных испытаний с превышением скоростного напора к моменту введения парашюта в действие в 1,3 раза.
У ужесточенной конструкции парашюта хотя бы один конструктивный параметр отличается от соответствующего штатного так, что это приводит к ужесточению условий функционирования парашюта. Например, проводятся испытания с увеличенной по сравнению с чертежом тканевой проницаемостью, с увеличенной площадью отверстий конструктивной воздухопроницаемости (КВП) по сравнению со штатной. Испытания куполов с перевязанными или укороченными стропами, испытания с отклонениями от штатной длины шнуров рифления и др.
При экспериментальной отработке парашютных систем ужесточенные испытания могут проводиться практически по всем этапам работы, по всем режимам и условиям функционирования ПС.
В общем случае ужесточение заключается в сближении законов распределения сравниваемых параметров [1],[4],[5].
Существует три возможных способа реализации ужесточенных испытаний:
- приближение параметра X к параметру У ;
- приближение параметра У к параметру X ;
- одновременное сближение параметров X и У .
Например, при проведении серии ужесточенных испытаний ПС на прочность - это:
- увеличение действующей нагрузки, приближение ее к несущей способности ПС;
- снижение величины несущей способности, приближение ее к действующей нагрузке;
- одновременное приближение друг к другу несущей способности и действующей нагрузки.
При проведении серии ужесточенных испытаний ПС на наполняемость - это:
- увеличение скорости введения ПС в действие, приближение ее к критической скорости наполнения;
- увеличение величины тканевой и конструктивной проницаемости, уменьшение длины строп и
т.д.;
- одновременное сближение ужесточенных режимов по наполняемости по условиям и конструкции парашюта.
Анализируя способы ужесточений режимов и условий летных испытаний, необходимо остановиться также на форсированных режимах работы ПС.
Форсаж - это режимы или условия работы вблизи граничных, крайних (предельных) значений количественных характеристик и параметров системы, превышение которых резко увеличивает вероятность качественного скачка в физике протекания исследуемого процесса или явления, приводящего к потере функциональных свойств ПС.
Качественные скачки - это, например, потери прочности и разрушение ПС от предельных нагрузок (скоростной напор q ), потеря прочности и разрушение ПС от теплового удара (число Маха
М), ненаполнение ПС (проницаемость основы купола Ж, критическая скорость наполнения Уок), нарушение режима функционирования отдельных элементов ПС и т.д.
В работе [4] представлена гиперобласть режимов и условий функционирования ПС, внутри которой находится область режимов и условий функционирования, заданная ТЗ. Между гиперобластью и областью ТЗ находится область ужесточенных режимов испытаний.
Режимы форсажа - это режимы и условия вблизи границы гиперобласти режимов и условий функционирования. При проведении ужесточенных экспериментов и выборе коэффициентов ужесточения режимов (условий) важно не попасть в зону режимов форсажа.
Это связано с тем, что в области ужесточенных режимов, в основном, должно сохраняться подобие (адекватность) процессов функционирования ПС штатным режимам и условиям по нагружению, наполняемости и т.д.
В области же режимов форсажа адекватность штатному режиму нарушается и уже становится невозможным исследование ПС на надежность по методу ужесточения. Доведение узлов и элементов парашютной системы в натурных условиях до отказа, например, до разрушения, выполняется, в большинстве случаев, именно в области режимов форсажа.
2. Оценка надежности по результатам ужесточенных испытаний
Для парашютных систем вероятность безотказной работы (ВБР) обычно должна находиться в пределах 0,99^0,999 при уровне ОДВ у1 = 0,95.
Для подтверждения заданного техническим заданием уровня надежности при испытаниях на штатных режимах требуется проведение большого количества испытаний. Так, для подтверждения уровня надежности 0,99 на штатном режиме (при ОДВ у- = 0,95), необходимо проведение примерно 300 безотказных экспериментов, а для подтверждения уровня надежности 0,999 - примерно 3000 безотказных экспериментов. На ужесточенном же режиме, для экспериментального подтверждения надежности р = 0,995, например, тормозного парашюта по прочности при односторонней доверительной
вероятности у- = 0,95 с превышением скоростного напора в 1,3 раза, достаточно всего тринадцати экспериментов.
Отсюда становится очевидной необходимость разработки метода ускоренных (на ужесточенном режиме) испытаний ПС для подтверждения заданного уровня надежности.
Эффективность ускоренных испытаний на ужесточенном режиме оценивается коэффициентом сокращения числа экспериментов, равным отношению числа экспериментов, необходимых для подтверждения заданной надежности на штатном режиме, к числу экспериментов, необходимых для подтверждения заданной надежности на ужесточенном режиме.
В общем случае задачу оценки надежности на штатном режиме и в штатных условиях по результатам ужесточенных испытаний можно сформулировать следующим образом:
- определить вероятность безотказной работы ПС (или же вероятность благоприятного исхода) путем сравнения случайных величин X и У при применении системы на штатном режиме, подтвержденную данной серией ужесточенных испытаний, в которой произошел ряд отказов, причем степень ужесточения по заданному параметру в различных экспериментах - различна.
Оценка надежности ПС, в ряде случаев, может быть сведена к сравнению величин двух случайных параметров X и У , подчиняющихся нормальному закону распределения.
Например, оценка надежности ПС по прочности сводится к сравнению расчетной нагрузки на парашют Яр с расчетной несущей способностью Рр : Рр > Яр (благоприятный исход), разность между которыми определяется величиной запаса прочности. Оценка надежности ПС по функционированию сводится, например, к сравнению усилия Тк , необходимого для извлечения блока ПС из контейнера, с
тяговым усилием парашюта Тт, извлекающим этот блок: Тт > Тк (благоприятный исход). Оценка надежности ПС по наполняемости сводится, например, к сравнению безразмерного времени наполнения
- -кр
данного парашюта ^н с каким-то граничным значением ^ , за которым купол уже не наполняется:
-кр -
^Н > ^Н (благоприятный исход).
Задачей экспериментального подтверждения надежности при сравнении двух параметров X и У является подтверждение выполнения неравенств X < У .
Параметры X и У являются случайными величинами, распределение которых, в большинстве случаев встречающихся в парашютной технике, близко к нормальному, с математическими ожиданием Х ,У и среднеквадратическими отклонениями а х и а у.
Условие безотказной работы ПС, очевидно, заключается в выполнении неравенства: и = У — X > 0. Комбинация двух нормально распределенных величин У — X тоже подчиняется нормальному закону распределения, поэтому вероятность безотказной работы ПС определится условием:
Р = Вер[(У — X) > 0] = Вер(и > 0) = 1 — Вер(и < 0).
Если перейти к нормированной функции нормального распределения Фо (^), то:
С 0 — и0л
- -0 (и0 1 Р = 1 — Вер(и < 0) = 1 — Ф0 -0 = Ф0 = Ф0(2), учитывая, что:
\ аи у
\аи у
Ф(1) = 1 — Ф(—1) , а 2 = ; Ф0(г) = Ге 2 ёх.
аи л/2ж —■^
Значения функции Лапласа Ф0 (2) приводятся в таблицах функций вероятностей для нормального распределения. Квантиль нормального распределения:
х2
Z=UL = . Y ~ X - K ~1
yj°2x V K2
^ Y ay
где: К = — - коэффициент запаса по исследуемому параметру; Vy = ^=-; vx = - коэффициенты X Y Х
вариации параметров Г и X .
То есть, если известны коэффициенты вариации и коэффициент запаса по исследуемому параметру, можно оценить ВБР изделия по данному параметру:
P = Фо(2) = Фо(К ,Vx ,Vy ).
Если проводятся ужесточенные испытания ПС на прочность, то, зная коэффициенты вариации несущей способности и действующей нагрузки, а также коэффициент запаса прочности (как отношение математических ожиданий несущей способности к действующей нагрузке), можно оценить ВБР изделия по прочности. Аналогично приведенному алгоритму оцениваются ВБР изделий парашютной техники по наполняемости, функционированию и т.д.
Приведенный выше метод является на сегодня базовым методом теоретической и экспериментальной оценки ВБР в летных испытаниях парашютных систем.
К сожалению, он страдает рядом недостатков, которые, в перспективе, необходимо будет устранять. В частности, он никак не учитывает специфических особенностей динамики процессов вытягивания ПС из упаковки, распределения прочности элементов в конструкции ПС в процессе раскрытия, особенностей процесса наполнения куполов парашютов на подготовительном и основном этапах и ряда других, весьма важных особенностей процесса функционирования системы объект-парашют.
В перспективе, это потребует модернизации и усовершенствования самого метода с учетом всех специфических особенностей процесса функционирования ПС путем эффективного использования методов математического моделирования, методов статистических испытаний.
Выводы и перспективы дальнейших исследований:
1. Рассмотрены основные понятия и определения штатных, ускоренных и ужесточенных испытаний.
2. Проведен теоретический анализ и рассматриваются способы реализации ужесточенных режимов и условий летных испытаний ПС, а также форсированные режимы работы ПС. Рассматривается вопрос об оценке надежности ПС по результатам ужесточенных испытаний.
3. Представлена математическая модель, описывающая способ оценки надежности ПС путем сравнения величин двух случайных параметров X и Г , подчиняющихся нормальному закону распределения. Показаны достоинства и недостатки данного метода.
4. Показана необходимость модернизации и усовершенствования, в перспективе, этого метода с учетом всех специфических особенностей процесса функционирования ПС.
Литература
1. Иванов П.И. Летные испытания парашютных систем /П.И. Иванов. - Феодосия: Гранд.-С. 2001. - 332 с.
2. Иванов П.И. Парашютные системы для космических аппаратов / П.И. Иванов. - Феодосия, Гранд. - С. 2002. - 203 с.
3. Иванов П.И. Проектирование, изготовление и испытания парапланов / П.И. Иванов. - Феодосия, Гранд. - С. 2001.- 256 с.
4. Иванов П.И. Методы летных испытаний и исследований парашютных систем и парапланерных летательных аппаратов, докт. технич. наук: 05.07.07; защищена 16.10.2003; утв. 14.04.04/ Иванов Петр Иванович.- Феодосия, 2003.-333с.
5. Подтверждение надежности ПС одноразового применения ужесточенными экспериментами / Методика № 19544-84/ НИИ ПС. - М.: 1984.- 161 с.
6. ГОСТ 27.002-83. Надежность в технике. Термины и определения. -М.: Госстандарт, 1983. - 38с.
7. ГОСТ 16504-81. Испытания и контроль качества продукции (Виды испытаний). -М.: Госстандарт СССР, 1981.-22 с.
8. ГОСТ В 15.210-78. Испытания опытных образцов изделий. Основные положения. -М.: Госстандарт СССР, 1986.-36 с.
